Statistički podaci su alarmantni: samo u Sjedinjenim Državama, iz kućanstava procuri oko 900 milijardi litara vode svake godine. Da bismo taj broj stavili u perspektivu, to je dovoljno vode za opskrbu oko 11 milijuna domova godišnje. I druge zemlje - od Europe do Azije - suočavaju se sa sličnim izazovima. Ovaj problem čine i očekivani nedostaci vode.
Ali pomoć je tu. Ultrazvučna tehnologija daje vodomjere instalirane u pametnim zgradama i pametnim gradovima sposobnost otkrivanja i lokaliziranja curenja od samo jedne kapi svakih nekoliko sekundi. Gradovi od Austina do Antwerpena instaliraju visokotehnološke pametne vodomjere koji kupcima daju informacije potrebne za pronalaženje curenja i očuvanje vode, dok pomažu komunalnim službama u prepoznavanju curenja infrastrukture u zastarjelim cijevima i pokvarenim vodovodima.
"Voda koju danas imamo jedina je voda koju ćemo ikad imati", kaže Holly Holt-Torres, voditeljica zaštite voda Gradske vodovodne službe grada Dallasa. “Moramo to sačuvati. Tehnologija će nam to omogućiti na sve višoj razini. "
Ali ova ultrazvučna tehnologija ima primjene koje se šire i od vodomjera. Ista se tehnologija može koristiti u brojilima koja mjere protok prirodnog plina, pa čak i otkrivaju smjesu plina koja teče kroz cijevi. Može čak pomoći medicinskim radnicima da reguliraju isporuku kisika u kirurškoj opremi.
Idući protokom
Ultrazvučni valovi, naravno, nisu novost. Na primjer, šišmiši koriste ultrazvučni domet kako bi izbjegli prepreke i uhvatili insekte noću. A u visokotehnološkim primjenama koristi se u prepoznavanju materijala, izbjegavanju sudara u automobilima te u industrijskim i medicinskim snimanjima.
Sada se koristi u vodomjerima i ostalim mjeračima protoka. Brojila su se tradicionalno oslanjala na elektromehanički sustav s okretnim vretenom ili zupčanikom koji koristi magnetni element za generiranje impulsa. Ali - kao što je slučaj s termostatima, motorima i mnogim drugim svakodnevnim uređajima - elektromehanički sustavi u mjeračima protoka brzo prelaze u elektroničke sustave.
U tim sustavima par uronjenih ultrazvučnih pretvarača mjeri brzinu zvučnih valova u tekućini. Brzina širenja zvučnog vala ovisi o viskoznosti, brzini protoka i smjeru tekućine koja teče kroz cijev. Ultrazvučni valovi putuju različitim brzinama, ovisno o krutosti medija kroz koji putuju.
Točnost mjerenja ovisi o kvaliteti pretvarača, preciznim analognim sklopovima i algoritmima obrade signala. Akustični ili ultrazvučni pretvarači su piezo materijali koji pretvaraju električne signale u mehaničke vibracije na relativno visokoj frekvenciji od stotina kiloherca. Tipično, par ultrazvučnih pretvarača u opsegu od 1-2 MHz mora biti dobro usklađen i kalibriran kako bi se točno izmjerilo protok. Oni čine značajan dio troškova mjerača protoka. Sustav senzora mora raditi s vrlo malom snagom kako bi osigurao 15-20 godina trajanja baterije.
Napredni čip za mjerenje protoka naše tvrtke, MSP430FR6043, uključuje jedinstveni analogni prednji kraj i algoritam, koji značajno poboljšava točnost, istovremeno smanjujući ukupne troškove i potrošnju energije. Naša arhitektura mjerenja protoka koristi analogni dizajn visokih performansi, napredne algoritme i ugrađenu obradu kako bi ublažila potrebu za skupim parom ultrazvučnih pretvarača. Analogni algoritmi za obradu prednjeg kraja i obradu signala nadoknađuju neslaganje sonde.
Izračunavanje svake kapi
Tipični ultrazvučni mjerač protoka emitira ultrazvučni val i mjeri diferencijalno kašnjenje na prijemniku za procjenu brzine protoka. Mjerenjima kašnjenja obično se upravlja putem sklopa pretvarača vremena u digitalni pretvarač koji nadzire prelazak nule primljenog valnog oblika. Izazov s tipičnim pristupom je taj što nije dovoljno osjetljiv za otkrivanje razina protoka s velikom točnošću.
Naša arhitektura upotrebljava pametni analogni prednji kraj s analogno-digitalnim pretvaračem visokih performansi za poboljšanje kvalitete signala u šum i prevladavanje netočnosti u kalibraciji. Ovaj pristup ima nekoliko prednosti:
- Može postići veću točnost smanjenjem smetnji i poboljšanjem omjera signal-šum.
- Arhitektura može mjeriti širok dinamički raspon protoka, od vatrogasnog crijeva do malog curenja.
- Korištenjem pokretača nižeg napona značajno štedi na snazi i troškovima. Prosječna struja za jedno mjerenje u sekundi manja je od 3 mikroampera. To znači da baterija traje više od 15 godina.
- Može otkriti turbulenciju, mjehuriće i druge anomalije protoka, što je važno za analizu protoka i servisiranje cjevovoda.
- Tehnologija je robusna prema amplitudskim varijacijama u dva smjera protoka, koje se mogu pojaviti u vodi i plinu pri većim protocima.
Mnoge druge TI tehnologije ključne su za mjerač protoka visokih performansi. Mikrokontroler male snage s integriranim analognim prednjim krajem ultrazvuka, referentni sat visokih performansi, upravljanje napajanjem trenutne niske mirovanja i ultra precizno podudaranje impedancije staza upravljačkog i prijenosnog pojačala primjeri su dodatnih tehnologija diferenciranja u ovim mjeračima protoka.
Zajedno, ove tehnologije mogu pomoći u očuvanju jednog od naših najdragocjenijih resursa.